SLAM技術(shù)在農(nóng)村煤改氣架空管網(wǎng)的應(yīng)用

2022-07-26
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1.前言

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，人民生活水平也逐漸提高。目前，我國京津冀農(nóng)村大部分地區(qū)已經(jīng)完成了煤改氣的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?？紤]到村街地下管道系統(tǒng)比較復(fù)雜，為了避免土方開挖，減少對村街道路和地下管道的破壞，在防火等級允許的情況下，天然氣管道多采用室外架空燃氣管道的施工工藝，既不影響居民的出行和日常生活，又為日后的檢修維修工作提供了便利。然而，錯綜復(fù)雜的燃氣架空管網(wǎng)對日后的維護檢修提出了新的要求，如果沒有完整準確的數(shù)字化燃氣管線信息，將直接影響檢修工作的順利開展，甚至?xí)斐芍卮笫鹿逝c損失。所以說，良好的基礎(chǔ)設(shè)施和完整的現(xiàn)代數(shù)字化燃氣管線測量資料是加快農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)，促進經(jīng)濟發(fā)展的重要工作和基本保障，農(nóng)村煤改氣架空管網(wǎng)的數(shù)字化迫在眉睫。

目前，針對農(nóng)村煤改氣架空管網(wǎng)的數(shù)字化方案，大多為使用GPS-RTK技術(shù)采集架空管線關(guān)鍵節(jié)點（拐點，彎頭，三通）的平面坐標，利用行業(yè)內(nèi)相應(yīng)的GIS軟件編輯專業(yè)的屬性信息（如：管徑，管壁厚度，閥門種類，材質(zhì)等），形成專屬點線表，從而實現(xiàn)二維數(shù)字化。該方法能夠快速獲取架空管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的平面坐標，可為架空管網(wǎng)的維修提供位置信息。然而，該方法的缺點也十分明顯：

1.節(jié)點位置精度取決于RTK信號的強弱，在某些衛(wèi)星信號弱的區(qū)域，RTK難以打出固定解，而浮動解和單點解的誤差往往在20公分以上。

2.RTK無法測量架空管網(wǎng)的距地高度，而距地高度又是后期維護檢修的關(guān)鍵信息，不可忽略。

3.燃氣管網(wǎng)建設(shè)過程中，不可避免會繞開農(nóng)房大門、窗戶等位置（圖1a）形成龍門（上下返），亦或會出現(xiàn)管線分支（圖1b），俗稱三通，這種沿垂直方向變化方向的節(jié)點無法通過平面顯示。使用RTK測出的點表中，上返點和下返點的平面坐標一致，無法分辨，而中間垂直方向的管線會被忽略，不利于長度測量。

4.提交的數(shù)據(jù)成果只有二維點線表，缺少更為精確的三維矢量化結(jié)果與更為直觀的三維可視化成果。

基于以上RTK測量方法在農(nóng)村煤改氣架空管網(wǎng)測繪中的各種不足之處，為實現(xiàn)快速、詳實地為管網(wǎng)施工、維護檢修部門提供精確的管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息及信息化平臺數(shù)據(jù)資料，需要準確獲得管網(wǎng)的空間位置和相關(guān)屬性信息，并再次基礎(chǔ)上，建立管網(wǎng)的三維可視化平臺，實現(xiàn)信息化管理。

區(qū)別于傳統(tǒng)的點對點測量方式，三維激光掃描技術(shù)采用主動、非接觸式的獲取被測目標表面的三維空間坐標、反射率等信息，形成直觀的三維激光點云數(shù)據(jù)。有效避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式外業(yè)勞動強度大、時間長、重復(fù)測量、工作效率低等弊端，為快速建立物體的三維模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

使用三維激光掃描系統(tǒng)采集燃氣架空管網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以直觀反映管網(wǎng)的真實三維情況，然而，農(nóng)村煤改氣工程所鋪設(shè)的架空管網(wǎng)遍布整個村落，采用傳統(tǒng)的地面架站式三維激光掃描儀采集管線的三維點云數(shù)據(jù)的效率十分低下，迫切需要可移動的三維激光掃描系統(tǒng)提升機動性，從而提高采集效率。

手持式的SLAM移動掃描系統(tǒng)，采用了突破性的同步定位建圖技術(shù)，能夠在運動過程中獲取高精度的激光點云數(shù)據(jù)，完成農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)大范圍燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的三維空間構(gòu)建。得到燃氣管網(wǎng)的三維點云數(shù)據(jù)后，使用針對燃氣管網(wǎng)測繪行業(yè)開發(fā)的PCM軟件對架空管線進行所需要素的提取與計算，得到符合實際情況的三維點線表，并將架空管網(wǎng)各節(jié)點坐標進行連接，得到三維管道矢量線，在實現(xiàn)三維可視化的同時實現(xiàn)三維矢量化，豐富成果內(nèi)容，以達到實現(xiàn)燃氣架空管網(wǎng)三維數(shù)字化管理的目的。

2.Slam技術(shù)簡介

2.1?SLAM基本原理

SLAM (Simultaneous localization and mapping)，意為“實時定位與地圖構(gòu)建”。SLAM可以理解為:?掃描儀在未知環(huán)境中從一個未知位置開始移動,在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)掃描儀的自主定位和導(dǎo)航。

圖2-1?SLAM技術(shù)路線圖

圖2-2?SLAM技術(shù)原理

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2.2?3D?SLAM

3D SLAM 技術(shù)是激光掃描儀的運動軌跡是一條與工作人員行走的步態(tài)有關(guān)的非線性和高動態(tài)的曲線。按照一般的理解，激光掃描儀如果安裝在移動測量系統(tǒng)中，一定要有一個高精度的定位系統(tǒng)(POS 系統(tǒng))與之匹配。這樣，激光掃描儀得到的激光點才能得到對應(yīng)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進而合成三維的激光點云。為了能解算出激光點云數(shù)據(jù)的高動態(tài)非線性位姿，通過研究激光點云的處理算法，可從這些雜亂無章的點云中找到線索，求取其中隱含的更穩(wěn)定的高階特征點和特征向量，并連續(xù)跟蹤這些特征點和特征向量，進而高精度地動態(tài)反向解算掃描儀的位置和姿態(tài)。這種高精度的動態(tài)反向解算位置和姿態(tài)的方法顛覆了傳統(tǒng)的測繪方法，為測繪技術(shù)開拓了一種新的思路方法。

3.Slam技術(shù)特點

目前，現(xiàn)有的地面移動測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動測量系統(tǒng)的，但目前地面移動測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。然而，由于室內(nèi)和地下空間等環(huán)境中沒有 GNSS 信號，因此，傳統(tǒng)的移動測量系統(tǒng)無法正常工作。固定式激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站，然后進行點云拼接，數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。然而，即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)在移動測繪方面具有較好的應(yīng)用，不依托 GNSS 信號，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模。因此，SLAM 技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用降低了測量復(fù)雜性，不需要大量標記地物點，不需要GPS 信號，適用于在室內(nèi)室外場景，對于解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景。

由于?SLAM 技術(shù)無需 GNSS 信號，對工作環(huán)境又有極強的適應(yīng)性，基于 SLAM 技術(shù)的移動測量系統(tǒng)在多個測繪領(lǐng)域發(fā)揮作用，具體表現(xiàn)為：

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高。

(2)內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預(yù)，短時間便能獲得配準好的點云數(shù)據(jù)。

(3)操作簡單方便，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。

(4) SLAM 技術(shù)的測繪移動測量掃描儀在任意環(huán)境中長時間工作故障率低，對于精度要求較高的重點區(qū)域，可與固定測站式三維激光系統(tǒng)配合使用，既能保證精度，又能保證效率。

圖3-1?無論是室外或者室內(nèi)掃描環(huán)境，只要掃描環(huán)境結(jié)構(gòu)特征越明顯

SLAM掃描結(jié)果越準確

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4.GeoSLAM?移動測量掃描系統(tǒng)

4.1?GeoSLAM?ZEB?Horizon手持掃描儀

GeoSLAM ZEB?Horizon手持式移動三維激光掃描儀是由澳大利亞國家科學(xué)研究機構(gòu) CSRO 和英國三維激光雷達采礦行業(yè)解決方案提供者 3D?Laser?mapping 公司以合資企業(yè)的形式成立,并聯(lián)合研發(fā)出的目前最輕便的SLAM 掃描系統(tǒng)。

圖4-1 GeoSLAM?ZEB?Horizon 3D 系統(tǒng)

圖4-2?便攜式背包與主配件

圖4-3 GeoSLAM?ZEB?Horizon系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品特性：?

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?全套設(shè)備僅 2.7kg，可移動的快速掃描多區(qū)域環(huán)境

?掃描頭自動旋轉(zhuǎn)，使動態(tài)掃描更加便捷，可進行 360°全景掃描

?結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧，可進入低矮及狹小空間進行全方位數(shù)據(jù)采集

?支持手持、固定桿、背負、車載、船載、無人機載等多種方式掃描

?點云數(shù)據(jù)成果自帶反射強度值

?數(shù)據(jù)精度高

4.2?數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件?GeoSLAM HUB：?

?原始數(shù)據(jù)拖放軟件內(nèi)進行處理

?數(shù)據(jù)集合并

?在‘GeoSLAM Draw’中將 3D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 2D 矢量數(shù)據(jù)

?集成的 2D 和 3D 查看器

?支持五種主流點云格式導(dǎo)出

?云數(shù)據(jù)，行進軌跡，影像資料同步查閱

圖4-4?GeoSLAM?HUB?軟件處理數(shù)據(jù)流程

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5.?農(nóng)村煤改氣架空管網(wǎng)測繪實施方案

基于SLAM技術(shù)可以對視覺信息和激光雷達數(shù)據(jù)進行三維重建與地圖構(gòu)建。它在測繪領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其是能夠更加精確地重建三維模型數(shù)據(jù)，這對于精確測量，高精度導(dǎo)航，特別是室內(nèi)測繪中等方面的應(yīng)用有著重要的意義。

5.1?實施流程

采用GeoSLAM ZEB-HORIZON?設(shè)備對燃氣管網(wǎng)進行三維點云數(shù)據(jù)采集，使用后處理軟件PCM對實測三維管網(wǎng)點云節(jié)點進行提取與屬性編輯，內(nèi)容包括節(jié)點的三維坐標XYZ、節(jié)點點號、埋深、種類、壓力級別、材質(zhì)等，得到能夠上傳燃氣管線GIS系統(tǒng)的點線表。將節(jié)點按順序依次連接成三維矢量線可導(dǎo)出三維矢量成果。

圖5-1 Geoslam架空管網(wǎng)測繪工作流程圖

5.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

GeoSLAM?ZEB-HORIZON設(shè)備外業(yè)操作簡單，一鍵開機30秒完成初始化，之后拿起掃描頭，背上放有電池和數(shù)據(jù)記錄器的背包后就可以在走動中完成掃描，其掃描測程100米，點云相對精度優(yōu)于±3cm，飛螢相機實時記錄掃描過程中所拍攝到的影像信息，通過后處理可以使點云帶有彩色紋理信息或者作為輔助識別管線。外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如下：

1.采用兩人小組制，1人使用GeoSLAM進行主要掃描，另外1人測量控制點坐標，控制點坐標經(jīng)RTK 3次測量后求平均值。兩人需要緊密配合，控制點測量人員需要動作迅速，提前布設(shè)好控制點位并測量完坐標值，通常每個管網(wǎng)系統(tǒng)平均分布3-5個左右控制點。

2.現(xiàn)場人員需熟悉每村各管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)壓箱位置，主測人員持Geoslam?Horizon掃描儀沿編號的管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)壓箱開始掃描，直到系統(tǒng)末端結(jié)束，單次掃描時間控制在15分鐘之內(nèi)，這樣即使在掃描路徑不閉合的情況下，依舊能保證數(shù)據(jù)絕對精度在5cm以內(nèi)。同時，按管線系統(tǒng)掃描易于數(shù)據(jù)編號與整理，大大降低內(nèi)業(yè)人員工作量。

3.掃描完畢后，使用U盤從處理器中拷貝原始數(shù)據(jù)，上傳至內(nèi)業(yè)人員解算處理。

根據(jù)現(xiàn)場情況及實際作業(yè)需要，RTK打點人員可騎電動車搭載主測人員進行掃描。經(jīng)測試，電動車行進速度小于15km/H時，點云密度不會有明顯下降，架空管線依舊清晰。同時得益于Geoslam?ZEB?Horizon內(nèi)置強大的高精度IMU（慣導(dǎo)系統(tǒng)），車輛于不平整路面行進而產(chǎn)生的顛簸不會對數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響。這種方式極大地提升了外業(yè)掃描效率，兩人一天外業(yè)工作8小時，能夠保證采集不低于15KM的管網(wǎng)系統(tǒng)點云數(shù)據(jù)。

5.3數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

5.3.1?原始數(shù)據(jù)解算

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入進預(yù)處理軟件?Hub 里進行解算。GeoSLAM?HUB軟件支持數(shù)據(jù)批量解算，批量解算的數(shù)據(jù)數(shù)量及解算速度與電腦配置及掃描時長有關(guān)。單個數(shù)據(jù)解算時間為掃描時間的1.5-2倍。經(jīng)測試，配合高性能筆記本或工作站，每天外業(yè)掃描的數(shù)據(jù)當天晚上即可解算完畢。